CN112815866A - 一种基于激光轮廓扫描的内螺纹检测仪及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于激光轮廓扫描的内螺纹检测仪及其检测方法，属于智能无损检测技术领域。内螺纹检测仪包括测量装置、定位工装和减震平台，测量装置和定位工装分列于减震平台上，测量装置包括电动平移模组、激光轮廓扫描仪和水平设置的旋转测杆轴，激光轮廓扫描仪嵌入式安装在旋转测杆轴上，前侧端设置有光学反射元件，光学反射元件的镜面与旋转测杆轴的轴心线呈45°夹角倾斜，定位工装位于测量装置的前方，位于旋转测杆轴的轴心直线上。本发明设计的基于激光轮廓扫描的内螺纹检测仪可伸入到待测工件中，通过激光轮廓扫描仪和光学反射元件对内螺纹进行测量，无需接触工件，检测结果准确、全面、可靠。

Description

一种基于激光轮廓扫描的内螺纹检测仪及其检测方法

技术领域

本发明涉及智能无损检测技术，激光精密测量技术领域，特别是对内螺纹直径小，测量装置无法深入进行精准测量的各类工件，进行高效率、高精度测量的一种基于激光轮廓扫描的内螺纹检测仪及其检测方法。

背景技术

螺纹按形式分外螺纹和内螺纹，按照牙形分三角形、矩形、梯形等，螺纹的主要参数包括螺纹直径(大径、小径)、螺距、牙形角等。螺纹加工完成后，内外螺纹工件要保证配合精度。为了保证螺纹配合接触良好并满足使用性能，对内、外螺纹的加工有很高的要求，而且加工质量直接影响装配精度和使用性能，螺纹类零件在各行业中都广泛应用，应用数量巨大，尤其在关键部件的定位紧固安装上尤为重要。因此，对工件内螺纹进行精确、高效的检测具有重要意义。

内螺纹尺寸属于内部尺寸，它包含内螺纹大径、小径、螺距、螺纹长度、螺纹倒角、螺纹倒角直径等参数，尤其对小直径M24-M64内螺纹测量，现有测量方法和量具都较为困难，导致许多测量工具不是伸不进去就是伸展不到位，只能进行局部测量。现阶段内螺纹的测量方式大多以接触式为主，如塞规通止规检测法等方式，该检测法只能进行定性检测，检测时还有可能划伤零件表面，并且检测取样点少，不能准确的评价内螺纹尺寸，检测效率低、精度低。同时也有一些非接触式的方式，如长春理工大学申请的发明专利“一种基于激光位移传感器的管形件内螺纹检测装置”(公开号：CN101126628A)，采用激光测距传感器检测内螺纹螺距、齿高、齿顶截距、齿形半角、锥度和中径参数。采用激光位移传感器的点激光进行非接触式测量，只是给出一个装置，而没有给出具体方法和测量计算手段，其检测过程系统运行缓慢、效率低，不适合大批量内螺纹在线检测。因此，随着现代非接触检测技术的高速发展，零件加工量越来越大，以上的几种计算方法和装置已经无法满足简单、高效的检测需求。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明专利设计了一种基于激光轮廓扫描的内螺纹检测仪及其检测方法，能够对工件的内螺纹尺寸包含内螺纹大径、小径、螺距、螺纹长度、螺纹倒角、螺纹倒角直径等参数进行同步准确测量，检测效率高。

本发明所采用的技术方案是：所述内螺纹检测仪包括测量装置、定位工装和减震平台，所述测量装置和定位工装分列于减震平台上，所述测量装置包括电动平移模组、激光轮廓扫描仪和水平设置的旋转测杆轴，所述激光轮廓扫描仪嵌入式安装在旋转测杆轴上，所述旋转测杆轴的轴心开有激光孔道，所述激光轮廓扫描仪的激光发射检测端位于激光孔道的后侧端，所述激光孔道的前侧端设置有光学反射元件，所述旋转测杆轴在激光孔道的前侧端孔壁上开有垂直的穿孔与其连通，所述光学反射元件位于穿孔中，所述光学反射元件的镜面与旋转测杆轴的轴心线呈45°夹角倾斜，所述旋转测杆轴的后侧端通过轴承支座连接在电动平移模组上，并连接有驱动电机，所述电动平移模组延旋转测杆轴的轴心线方向水平推动；所述定位工装位于测量装置的前方，与旋转测杆轴处于同一轴向上。待测工件通过定位工装固定，旋转测杆轴通过电动平移模组水平推送入待测工件的内螺纹孔中，激光轮廓扫描仪发出的激光通过光学反射元件投射到内螺纹上，驱动电机带动旋转测杆轴360°转动，完成完整的内螺纹数据采集检测。

进一步的，所述定位工装包括V型支架和V型压块，所述V型支架的上侧设有V形开口，底部连接减震平台，V型压块通过吊架吊装于V型支架的正上方，所述V型压块的下侧也设有V形开口，其上侧设置有夹紧气缸与吊架连接。V型支架和V型压块的V型开口可以更好的对待测工件进行固定，同时使用夹紧气缸对其紧固定位。

进一步的，所述所述V型支架的底部连接有调整垫块，所述调整垫块能够调节V型支架的高度。可适应不同尺寸的待测工件的内螺纹检测。

进一步的，所述所述调整垫块的上表面设置有T型滑槽，所述V型支架的底面设置有T型滑块，所述T型滑块滑动卡合在T型滑槽中，所述V型支架的相对外侧端连接有推齐气缸，所述推齐气缸推动V型支架延旋转测杆轴的同轴向方向水平滑动。

进一步的，所述吊架下侧设置有安装框，所述安装框的底板中部开有圆孔，圆孔的两侧分别开有导向孔，所述挤紧气缸的缸体设置于安装框中，其活塞杆从圆孔中向下穿过连接V型压块，两侧的导向孔中分别设置有导向杆，所述导向杆为伸缩杆，底端连接V型压块，顶端连接吊架。导向杆可保证V型压块压紧工件时在竖直方向上稳定运动。

进一步的，所述轴承支座的底部固定在连接板上，所述连接板与电动平移模组滑动连接，由电动平移模组带动其水平移动，所述轴承支座为无间隙轴承支座，所述旋转测杆轴的后侧端穿过轴承支座，并设置有带轮，所述驱动电机为旋转伺服电机，所述旋转伺服电机通过同步齿形带连接带轮，带动旋转测杆轴转动。

进一步的，所述电动平移模组的一侧设置有电缆拖链，所述连接板的一侧设置有绝对光栅尺，所述绝对光栅尺记录旋转测杆轴移动的位置，所述旋转伺服电机和激光轮廓扫描仪的线缆收置于电缆拖链中。

进一步的，所述光学反射元件的尺寸能够根据被测件内螺纹口径大小进行调整。

本发明同时设计了上述基于激光轮廓扫描的内螺纹检测仪用于内螺纹快速检测方法，所述方法包括下列步骤：

步骤一，待测工件经定位工装推齐夹紧，调整待测工件高度，保证旋转测杆轴能插入到待测工件的内螺纹孔中即可，无需使二者处于同一轴心线上，电动平移模组带动连接板沿待测工件轴向平行方向做轴向进给运动，无间隙轴承支座固定在连接板上，带动嵌入安装激光轮廓扫描仪和光学反射元件的旋转测杆轴同步运动；

步骤二，绝对光栅尺和电缆拖链随电动模组同步运动，将实时测量位置信息不断传输给控制计算机；

步骤三，当接近测量位置时，旋转伺服电机通过同步齿形带和带轮，带动旋转测杆轴转动360°进行数据采集，根据获取的测量数据采用椭圆拟合投影最小值法得到校正测量结果。

相对于现有技术，本发明专利设计的一种基于激光轮廓扫描的内螺纹检测仪的进步之处在于：

(1)采用旋转测杆轴插入到待测工件的内螺纹孔中，通过激光轮廓扫描仪和光学反射元件对内螺纹进行360°转动检测，检测过程无需旋转检测杆与待测工件的内螺纹孔完全同轴、同心，即可采集到完整数据，检测更加方便、高效。

(2)定位工装设置V型支架和V型压块对待测工件进行固定，并设置了夹紧气缸保证固定效果稳定，V型支架下侧滑动连接并设置推齐气缸，可对待测工件的水平位置进行调整。

(3)调整垫块可在竖直方向对待侧工件的高度进行调整，满足不同尺寸待测工件的检测需求。

(4)利用椭圆拟合投影最小值法和三点法原理结合反射镜来实现工件内螺纹尺寸测量，此方法可以实现不同心、不共轴测量，在实际工程应用中具有深远意义。由于这种小口径大内膛工件受到小口径的限制，高精度的激光轮廓扫描仪不能直接深入到内部进行直接测量；利用这种设计方法解决了口径小的瓶颈，解决了同类产品测量内螺纹尺寸的问题，满足实际工业生产中的需要，相比以往的测量方法，提高了测量精度，可用于批量工件尺寸的精确测量。

附图说明

图1是基于激光轮廓扫描的内螺纹检测仪的结构示意图

图2是基于激光轮廓扫描的内螺纹检测仪的原理示意图

图中，1激光轮廓扫描仪、2光学反射元件、3待测工件、4激光孔道、5旋转测杆轴、6无间隙轴承支座、7-V型支架、8调整垫块、9-V型压块、10导向杆、11夹紧气缸、12吊架、13推齐气缸、14减震平台、15电缆拖链、16带轮、17连接板、18电动平移模组、19伺服电机、20绝对光栅尺

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，所描述的实施例仅仅是本发明创造一部分的实施例，而不是全部。基于本发明创造中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明创造保护的范围。

如图1、2所示，本发明专利设计了一种基于激光轮廓扫描的内螺纹检测仪的一种实施例，包括测量装置和定位工装，二者分列于减震平台14的两端。测量装置包括电动平移模组18、激光轮廓扫描仪1和水平设置的旋转测杆轴5，激光轮廓扫描仪1嵌入式安装在旋转测杆轴5上。旋转测杆轴5的轴心处延其轴心方向开有激光孔道4，激光轮廓扫描仪1的激光发射检测端位于激光孔道4的后侧端，激光孔道4的前侧端设置有托架，托架上安装有光学反射元件2。为适应不同螺纹口径的检测需求，本发明的内螺纹检测仪配置了多套不同尺寸大小的光学反射元件，使用时可根据应用需求随时更换。旋转测杆轴5在激光孔道4的前侧端孔壁上开有垂直的穿孔与其连通，光学反射元件2位于穿孔中。光学反射元件2的镜面与旋转测杆轴5的轴心线呈45°夹角倾斜。

旋转测杆轴5的后侧端连接有无间隙轴承支座6，无间隙轴承支座6可保证旋转测杆轴5稳定的绕轴心转动。无间隙轴承支座6的底部固定在连接板17上，连接板17的底部滑动连接电动平移模组18。电动平移模组18能够延旋转测杆轴5的轴心线方向前后水平推拉连接板17移动。

旋转测杆轴5的后侧端穿过无间隙轴承支座6，并设置有带轮16，连接板17在无间隙轴承支座6的一侧安装有旋转伺服电机19，伺服电机19通过同步齿形带与带轮16连接，由伺服电机19带动旋转测杆轴5转动。连接板17的一侧设置有绝对光栅尺20，在连接板17平移的过程中记录其位置信息，并实时传输给计算机。测量装置工作时由电动平移模组18推动连接板17前移，带动旋转测杆轴5的前端插入到待测工件3的内螺纹中，到合适位置后由伺服电机19带动旋转测杆轴5进行360度转动，激光轮廓扫描仪1发射激光，激光沿激光孔道4向前打到光学反射元件2上，再由光学反射元件2将激光反射到待测工件的内螺纹上，对内螺纹进行扫描，完美的解决了由于小口径限制高精度的激光轮廓扫描仪不能直接深入到内部进行直接测量的问题，而且检测无需旋转检测杆5与待测工件3的内螺纹孔完全同轴、同心，即可采集到完整数据，检测更加方便、高效。

在电动平移模组18的一侧分别设置有电缆拖链15，激光轮廓扫描仪1、伺服电机19的线路都收置于电缆拖链15中。

定位工装位于测量装置的前方，与旋转测杆轴5位于同轴向上。包括V型支架7、调整垫块8和V型压块9，调整垫块8底端安装在减震平台14上，可在竖直方向上进行高度调节。调整垫块8的上表面延轴向设置有T型滑槽，V型支架7的上侧开有V形口，底面设置有与之相适应的T型滑块，T型滑块滑动卡合于T型滑槽中，V型支架7可在调整垫块8上延轴向前后滑动，V型支架7的相对外侧连接有推齐气缸13，推齐气缸13的缸体连接减震平台14，由推齐气缸13推动V型支架7水平滑动。

V型压块9的下侧面设有V形开口，上侧面通过夹紧气缸11吊装在吊架12上。吊架12呈L型，包括竖直的支撑杆和水平的吊杆两部分，支撑杆底部固定在减震平台14上，底部侧面设置多道加强筋板与减震平台14连接。吊杆横于V型支架7的上侧，吊杆的下侧面设置有安装框，安装框的底板中部开有圆形穿孔，并在圆形穿孔的两侧分别开有导向孔。夹紧气缸11的缸体两端分别固定在安装框底板和吊杆上，伸缩活塞杆从圆形穿孔向下穿出连接V型压块9的上侧面中心处。两侧的导向孔中分别设置有能够伸缩的导向杆10，导向杆10的下端连接V型压块9，上端连接吊杆。在V型压块9压紧待测工件时，两根导向杆10对其起到辅助作用。

本发明专利设计的基于激光轮廓扫描的内螺纹检测仪用于内螺纹快速检测的方法包括下列步骤：

步骤一，将待测工件经定位工装推齐夹紧，通过调整垫块调整待测工件高度，保证旋转测杆轴能插入到待测工件的内螺纹孔中即可，无需同轴，电动平移模组带动连接板沿待测工件轴向平行方向做轴向进给运动，无间隙轴承支座固定在连接板上，带动嵌入安装激光轮廓扫描仪和光学反射元件的旋转测杆轴同步运动；

步骤二，绝对光栅尺和电缆拖链随电动模组同步运动，绝对光栅尺将实时测量位置信息不断传输给控制计算机；

步骤三，当接近测量位置时，旋转伺服电机通过同步齿形带和带轮，带动旋转测杆轴转动360°进行数据采集，采集的数据传输给计算机，根据获取的测量数据采用椭圆拟合投影最小值法得到校正测量结果。

所谓椭圆拟合投影最小值法是指将测得的360°数据的最大值和最小值拟合成椭圆，再将椭圆投影取最小值，即为螺纹的小径和大径所在圆，结合三点法原理算出小径和大径的尺寸。此方法可以实现不同心、不共轴测量螺纹的大径、小径、螺距、牙型完整性、内螺纹长度、螺纹口部倒角、倒角直径。

上述内容仅为本发明创造的较佳实施例而已，不能以此限定本发明创造的实施范围，即凡是依本发明创造权利要求及发明创造说明内容所做出的简单的等效变化与修饰，皆仍属于本发明创造涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种基于激光轮廓扫描的内螺纹检测仪，其特征在于，所述内螺纹检测仪包括测量装置、定位工装和减震平台，所述测量装置和定位工装分列于减震平台上，所述测量装置包括电动平移模组、激光轮廓扫描仪和水平设置的旋转测杆轴，所述激光轮廓扫描仪嵌入式安装在旋转测杆轴上，所述旋转测杆轴的轴心开有激光孔道，所述激光轮廓扫描仪的激光发射检测端位于激光孔道的后侧端，所述激光孔道的前侧端设置有光学反射元件，所述旋转测杆轴在激光孔道的前侧端孔壁上开有垂直的穿孔与其连通，所述光学反射元件位于穿孔中，所述光学反射元件的镜面与旋转测杆轴的轴心线呈45°夹角倾斜，所述旋转测杆轴的后侧端通过轴承支座连接在电动平移模组上，并连接有驱动电机，所述电动平移模组延旋转测杆轴的轴心线方向水平推动；所述定位工装位于测量装置的前方，与旋转测杆轴处于同一轴向上。

2.根据权利要求1所述的基于激光轮廓扫描的内螺纹检测仪，其特征在于，所述定位工装包括V型支架和V型压块，所述V型支架的上侧设有V形开口，底部连接减震平台，V型压块通过吊架吊装于V型支架的正上方，所述V型压块的下侧也设有V形开口，其上侧设置有夹紧气缸与吊架连接。

3.根据权利要求2所述的基于激光轮廓扫描的内螺纹检测仪，其特征在于，所述所述V型支架的底部连接有调整垫块，所述调整垫块能够调节V型支架的高度。

4.根据权利要求3所述的基于激光轮廓扫描的内螺纹检测仪，其特征在于，所述所述调整垫块的上表面设置有T型滑槽，所述V型支架的底面设置有T型滑块，所述T型滑块滑动卡合在T型滑槽中，所述V型支架的相对外侧端连接有推齐气缸，所述推齐气缸推动V型支架延旋转测杆轴的同轴向方向水平滑动。

5.根据权利要求4所述的基于激光轮廓扫描的内螺纹检测仪，其特征在于，所述吊架下侧设置有安装框，所述安装框的底板中部开有圆孔，圆孔的两侧分别开有导向孔，所述挤紧气缸的缸体设置于安装框中，其活塞杆从圆孔中向下穿过连接V型压块，两侧的导向孔中分别设置有导向杆，所述导向杆为伸缩杆，底端连接V型压块，顶端连接吊架。

6.根据权利要求5所述的基于激光轮廓扫描的内螺纹检测仪，其特征在于，所述轴承支座的底部固定在连接板上，所述连接板与电动平移模组滑动连接，由电动平移模组带动其水平移动，所述轴承支座为无间隙轴承支座，所述旋转测杆轴的后侧端穿过轴承支座，并设置有带轮，所述驱动电机为旋转伺服电机，所述旋转伺服电机通过同步齿形带连接带轮，带动旋转测杆轴转动。

7.根据权利要求6所述的基于激光轮廓扫描的内螺纹检测仪，其特征在于，所述电动平移模组的一侧设置有电缆拖链，所述连接板的一侧设置有绝对光栅尺，所述绝对光栅尺记录旋转测杆轴移动的位置，所述旋转伺服电机和激光轮廓扫描仪的线缆设置于电缆拖链中。

8.根据权利要求7所述的基于激光轮廓扫描的内螺纹检测仪，其特征在于，所述光学反射元件的尺寸能够根据被测件内螺纹口径大小进行调整。

9.一种如权利要求8所述的基于激光轮廓扫描的内螺纹检测仪的内螺纹快速检测方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：

步骤一，待测工件经定位工装推齐夹紧，调整待测工件高度，保证旋转测杆轴能插入到待测工件的内螺纹孔中即可，无需使二者处于同一轴心线上，电动平移模组带动连接板沿待测工件轴向平行方向做轴向进给运动，无间隙轴承支座固定在连接板上，带动嵌入安装激光轮廓扫描仪和光学反射元件的旋转测杆轴同步运动；

步骤二，绝对光栅尺和电缆拖链随电动平移模组同步运动，将实时测量位置信息不断传输给控制计算机；

步骤三，当接近测量位置时，旋转伺服电机通过同步齿形带和带轮，带动旋转测杆轴转动360°进行内螺纹数据采集，根据获取的测量数据采用椭圆拟合投影最小值法得到校正测量结果。

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